CN112218090B - 一种彩色二维码嵌入彩色图像的信息隐藏及提取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种彩色二维码嵌入彩色图像的信息隐藏及提取方法，包括彩色二维码嵌入、嵌入误差数据隐藏和彩色二维码提取，将秘密信息通过基于zing库的彩色QR码生成和识别方法编码生成彩色二维码，大幅度提高秘密信息容量；将彩色二维码作为秘密图像，结合二维DCT变换，使大容量彩色二维码嵌入彩色图像，并将嵌入过程产生的小数误差进行二次隐藏，能够无损还原彩色二维码或无损还原彩色图像，实现对提取彩色二维码正确解码及对彩色图像的无损提取，达到大容量信息的秘密传输。

Description

一种彩色二维码嵌入彩色图像的信息隐藏及提取方法
技术领域
本发明涉及一种彩色数字图像的信息隐藏提取方法，特别涉及一种彩色二维码嵌入彩色图像的信息隐藏及提取方法。
背景技术
当前社会互联网技术的迅猛发展，给信息传输带来便利的同时也给信息安全带来了隐患。信息隐藏是在视觉上不影响载体的前提下，将秘密信息嵌入到载体，可实现秘密信息的隐秘传输，该技术在版权认证，内容保护、秘密信息传输等方面广泛应用。为了提高信息的安全性，扩大隐秘传输信息容量，使用彩色二维码的信息隐藏技术也成为当前研究的热点。本发明所述彩色二维码为专利号 CN201510340217.1(发明名称：彩色QR码的编/解码方法)中的QR码，将秘密信息通过基于zing库的彩色QR码生成和识别方法编码生成彩色二维码，如图5所示。彩色二维码的解码需要精确解码色块的像素值，故而大大提高了彩色二维码的提取要求。所应用的彩色二维码也有发论文：基于Gzip压缩算法的彩色QR码生成与识别方法。
目前大多隐藏提取方法是将二值化图像或者灰度图像作为秘密信息进行隐藏，部分算法可以做到高度还原，但是可隐藏秘密信息容量小；也有部分学者将彩色图片作为秘密信息进行信息隐藏，但是不能无损提取还原秘密彩色图像，像素值会发生严重的失真或缺失，故而只能人眼的主观观察秘密信息代表的意义，并不能实现计算机自动识别。
彩色二维码初始化过程中，随着颜色种类的增多，编码的数据密度也随之增大，将秘密信息编码为彩色二维码作为秘密图像嵌入载体图像，大大提高秘密信息容量。在彩色二维码被提取后能实现彩色二维码解码系统的解码，实现了秘密信息识别的客观性。
发明内容
本发明的目的在于解决现有彩色秘密信息图像不能被无损提取的问题，而提供一种彩色二维码嵌入彩色图像的信息隐藏及提取方法，用于扩大信息隐藏的容量，该方法能够实现彩色二维码不可感知地嵌入载体图像，并实现真彩色二维从载体图像提取后进行计算机识别解码，客观读取秘密信息。
实现本发明目的的技术方案是：
一种彩色二维码嵌入彩色图像的信息隐藏及提取方法，包括彩色二维码嵌入、嵌入误差数据隐藏和彩色二维码提取，具体如下：
1)彩色二维码嵌入，包括如下步骤：
1-1)彩色二维码进行预处理：将彩色二维码分为R、G、B三通道灰度图像，得到Sr、Sg和Sb；
1-2)将载体图像C进行R、G、B三通道分离，得到三通道分量Cr、Cg和 Cb；
1-3)分别对三通道分量Cr、Cg和Cb进行一次分块并二次细分块，得到细分块Ci0、Ci1、Ci2、Ci3和Ci4五部分；
1-4)取分块Ci0进行二维DCT变换生成矩阵dct_Ci0，取该分块矩阵的频域直流系数，作为彩色二维码的嵌入区域；取Ci1分块矩阵存储误差标记位；取 Ci2、Ci3和Ci4分块矩阵分别进行二维DCT变换生成矩阵dct_Ci2、dct_Ci3和 dct_Ci4，得到每个分块的频域直流系数，作为误差数每一位的存储区域；
1-5)嵌入彩色二维码：采用加权嵌入公式将步骤1-1)中的彩色二维码分量 Sr、Sg和Sb乘以加权系数嵌入步骤1-2)载体图像分量Cr、Cg和Cb变换矩阵 dct_Ci0中，生成dct_Cmi0矩阵，对dct_Cmi0矩阵进行逆二维DCT变换生成 Cmi0，得到含有彩色二维码信息的矩阵Cmi0；
2)嵌入误差数据隐藏，包括如下步骤：
2-1)通过误差计算公式，得到将步骤1-5)中的矩阵Cim0保存为图像时将产生的小数误差，生成error；
2-2)根据步骤2-1)生成的小数误差error，生成误差正负标记位flag隐藏在Ci1矩阵中，生成含误差标记位矩阵Cfi1；
2-3)将步骤2-1)中的小数误差error每一个小数位取出，分别乘以加权系数隐藏于步骤1-4)的矩阵dct_Ci2、dct_Ci3和dct_Ci4中，进行逆DCT变换后得到最终隐藏彩色二维码的含密图像；
3)彩色二维码提取，包括如下步骤：
3-1)将含密图像与原载体图像C分别进行R、G、B三通道分解；
3-2)分别取含密图像和载体图像隐藏误差正负标记位的分块进行相减生成误差正负标记位；
3-3)对隐藏误差的分块进行二维DCT变换，根据小数误差加权嵌入公式依次提取误差数据；
3-4)将含密图像的误差数据补齐后，对隐藏彩色二维码数据分块进行二维 DCT变换，根据彩色二维码加权嵌入公式提取精确的彩色二维码数据；
3-5)将提取的彩色二维码数据在RGB颜色空间进行合并生成彩色二维码，并通过基于zing库的彩色QR码生成和识别方法对提取的彩色二维码解码。
本发明提供的一种彩色二维码嵌入彩色图像的信息隐藏及提取方法，将秘密信息通过基于zing库的彩色QR码生成和识别方法编码生成彩色二维码，大幅度提高秘密信息容量；将彩色二维码作为秘密图像，结合二维DCT变换，使大容量彩色二维码嵌入彩色图像，并将嵌入过程产生的小数误差进行二次隐藏，能够无损还原彩色二维码或无损还原彩色图像，实现对提取彩色二维码正确解码及对彩色图像的无损提取，达到大容量信息的秘密传输。
附图说明
图1为本发明实施例彩色二维码嵌入的流程图；
图2为本发明实施例中对载体图像分块的示意图；
图3为本发明嵌入误差数据隐藏的流程图；
图4为本发明的彩色二维码提取的流程图；
图5为秘密信息编码生成的彩色二维码a和彩色二维码b；
图6中a、b、c、d是采用本发明的方法隐藏提取彩色二维码案例1；
图7中a、b、c、d是采用本发明的方法隐藏提取彩色二维码案例2；
图8中a、b、c、d是采用本发明的方法隐藏提取彩色图像案例。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步阐述，但不是对本发明的限定。
如图1所示，一种彩色二维码嵌入彩色图像的信息隐藏及提取方法，包括彩色二维码嵌入、嵌入误差数据隐藏和彩色二维码提取，具体如下：
1)彩色二维码嵌入，包括如下步骤：
1-1)彩色二维码进行预处理：将彩色二维码分为R、G、B三通道灰度图像，得到Sr、Sg和Sb；
1-2)将载体图像C进行R、G、B三通道分离，得到三通道分量Cr、Cg和 Cb；
1-3)分别对三通道分量Cr、Cg和Cb进行一次分块并二次细分块，得到细分块Ci0、Ci1、Ci2、Ci3和Ci4五部分；例如分通道进行进行4*8矩阵分块，得到Z1～Zi分块；对Zi分块(4*8分块)矩阵如图2所示进行再次分块，将分块 Zi分为1个4*4分块矩阵Ci0和4个2*2分块矩阵Ci1～Ci4；
1-4)取分块Ci0进行二维DCT变换生成矩阵dct_Ci0，取该分块矩阵的频域直流系数，作为彩色二维码的嵌入区域；取Ci1分块矩阵存储误差标记位；取 Ci2、Ci3和Ci4分块矩阵分别进行二维DCT变换生成矩阵dct_Ci2、dct_Ci3和 dct_Ci4，得到每个分块的频域直流系数，作为误差数每一位的存储区域；
1-5)嵌入彩色二维码：采用下述加权嵌入公式(1)将步骤1-1)中的彩色二维码分量Sr、Sg和Sb乘以加权系数嵌入步骤1-2)载体图像分量Cr、Cg和 Cb变换矩阵dct_Ci0中，生成dct_Cmi0矩阵，对dct_Cmi0矩阵进行逆二维DCT 变换生成Cmi0，得到含有彩色二维码信息的矩阵Cmi0；
dct_Cmi0＝dct_Ci0-α*Si (1)
其中Si是彩色二维码的分通道第i个像素值；α为嵌入率，可根据嵌入情况而定。
2)嵌入误差数据隐藏，如图3所示，包括如下步骤：
2-1)步骤1-5)中的矩阵Cim0为双精度型，保存为图像时产生小数误差，故将矩阵Cim0保存为图像类型时会产生小数误差，该过程为不可逆损失，通过下述误差计算公式(2)将步骤1-5)中的矩阵Cim0保存时产生的小数误差生成 error；
error＝Cmi0-round(Cmi0) (2)
公式(2)中，round为四舍五入取整函数；
2-2)根据步骤2-1)生成的小数误差error，采用下述公式(3)将误差正负标记位flag隐藏在Ci1矩阵中，生成含误差标记位矩阵Cfi1；
Cfi1(n,n)＝Ci1(n,n)+flag，(1≤n≤2) (3)
2-3)将步骤2-1)中的小数误差error每一个小数位取出，分别乘以加权系数隐藏于步骤1-4)的矩阵dct_Ci2、dct_Ci3和dct_Ci4中，采用下述误差加权嵌入公式(4)以嵌入误差小数的第一位为例：
dctCei2＝dct_Ci2-β*error1，β＝2 (4)
进行逆DCT变换后得到最终隐藏彩色二维码的含密图像；
3)彩色二维码提取，如图4所示，包括如下步骤：
3-1)将含密图像与原载体图像C分别进行R、G、B三通道分解；
3-2)分别取含密图像和载体图像隐藏误差正负标记位的分块进行相减生成误差正负标记位flag，flag的生成公式为：
flag＝Cfi1(n,n)-Ci1(n,n) (5)
3-3)对隐藏误差的分块进行二维DCT变换，根据小数误差加权嵌入公式依次提取误差数据；以提取误差小数的第一位为例；
Figure BDA0002733508220000051
3-4)采用下述公式(7)将含密图像的误差数据补齐后，对隐藏彩色二维码数据分块进行二维DCT变换，采用下述彩色二维码加权嵌入公式(8)提取精确的彩色二维码数据N_Si；
N_Ci0＝Cmi0+errori (7)
N_Si＝(dct2(N_Ci0)-dct2(Ci0)) (8)
α可根据嵌入情况设定。
3-5)将提取的彩色二维码数据在RGB颜色空间进行合并生成彩色二维码，并通过基于zing库的彩色QR码生成和识别方法对提取的彩色二维码解码。
上述的方法包括并不限于隐藏彩色二维码，亦可无感知隐藏及无损提取普通彩色图片。
采用上述方法，对秘密信息编码生成的彩色二维码进行隐藏和提取操作进行仿真，仿真结果如下：
图6中图a、b、c、d分别为本发明实验仿真的载体图像1，彩色二维码1、含密图像、提取彩色二维码图像；
图7中图a、b、c、d分别为本发明实验仿真的载体图像2，彩色二维码2、含密图像、提取彩色二维码图像；
图8中图a、b、c、d分别为本发明实验仿真的载体图像3，红苹果、含密图像、提取彩色红苹果；
本发明实现了将彩色二维码无感知隐藏于彩色图像中并无损提取，将提取的彩色二维码进行解码，含密图像与原载体图像的PSNR值>38.68，隐藏效果有良好的不可感知性；提取的彩色二维码图像和原始彩色二维码图像NC＝1，实现了彩色二维码的无损提取；也实现了彩色图片的无感知隐藏于彩色图像中并无损提取，含密图像与原载体图像的PSNR值>39.25，提取的彩色图像NC＝1。本发明包括并不限于隐藏及提取本仿真实验中的图像。

Claims (2)

1.一种彩色二维码嵌入彩色图像的信息隐藏及提取方法，其特征在于，包括彩色二维码嵌入、嵌入误差数据隐藏和彩色二维码提取，具体如下：
1)彩色二维码嵌入，包括如下步骤：
1-1)彩色二维码进行预处理：将彩色二维码分为R、G、B三通道灰度图像，得到Sr、Sg和Sb；
1-2)将载体图像C进行R、G、B三通道分离，得到三通道分量Cr、Cg和Cb；
1-3)分别对三通道分量Cr、Cg和Cb进行一次分块并二次细分块，得到细分块Ci0、Ci1、Ci2、Ci3和Ci4五部分；
1-4)取分块Ci0进行二维DCT变换生成矩阵dct_Ci0，取该分块矩阵的频域直流系数，作为彩色二维码的嵌入区域；取Ci1分块矩阵存储误差标记位；取Ci2、Ci3和Ci4分块矩阵分别进行二维DCT变换生成矩阵dct_Ci2、dct_Ci3和dct_Ci4，得到每个分块的频域直流系数，作为误差数每一位的存储区域；
1-5)嵌入彩色二维码：采用加权嵌入公式将步骤1-1)中的彩色二维码分量Sr、Sg和Sb乘以加权系数嵌入步骤1-2)载体图像分量Cr、Cg和Cb变换矩阵dct_Ci0中，生成dct_Cmi0矩阵，对dct_Cmi0矩阵进行逆二维DCT变换生成Cmi0，得到含有彩色二维码信息的矩阵Cmi0；
2)嵌入误差数据隐藏，包括如下步骤：
2-1)通过误差计算公式，得到将步骤1-5)中的矩阵Cim0保存为图像时将产生的小数误差，生成error；
2-2)根据步骤2-1)生成的小数误差error，生成误差正负标记位flag隐藏在Ci1矩阵中，生成含误差标记位矩阵Cfi1；
2-3)将步骤2-1)中的小数误差error每一个小数位取出，分别乘以加权系数隐藏于步骤1-4)的矩阵dct_Ci2、dct_Ci3和dct_Ci4中，进行逆DCT变换后得到最终隐藏彩色二维码的含密图像；
3)彩色二维码提取，包括如下步骤：
3-1)将含密图像与原载体图像C分别进行R、G、B三通道分解；
3-2)分别取含密图像和载体图像隐藏误差正负标记位的分块进行相减生成误差正负标记位；
3-3)对隐藏误差的分块进行二维DCT变换，根据小数误差加权嵌入公式依次提取误差数据；
3-4)将含密图像的误差数据补齐后，对隐藏彩色二维码数据分块进行二维DCT变换，根据彩色二维码加权嵌入公式提取精确的彩色二维码数据；
3-5)将提取的彩色二维码数据在RGB颜色空间进行合并生成彩色二维码，并通过基于zing库的彩色QR码生成和识别方法对提取的彩色二维码解码。
2.根据权利要求1所述的一种彩色二维码嵌入彩色图像的信息隐藏及提取方法，其特征在于，所述的2)嵌入误差数据隐藏，具体包括如下步骤：
2-1)通过下述误差计算公式(2)将步骤1-5)中的矩阵Cim0保存时产生的小数误差生成error；
error＝Cmi0-round(Cmi0) (2)
公式(2)中，round为四舍五入取整函数；
2-2)根据步骤2-1)生成的小数误差error，采用下述公式(3)将误差正负标记位flag隐藏在Ci1矩阵中，生成含误差标记位矩阵Cfi1；
Cfi1(n,m)＝Ci1(n,m)+flag，(1≤n≤2；1≤m≤2) (3)
2-3)将步骤2-1)中的小数误差error每一个小数位取出，分别乘以加权系数隐藏于步骤1-4)的矩阵dct_Ci2、dct_Ci3和dct_Ci4中，采用下述误差加权嵌入公式(4)以嵌入误差小数的第一位为例：
dctCei2＝dct_Ci2-β*error1，β＝2 (4)
进行逆DCT变换后得到最终隐藏彩色二维码的含密图像。
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